傳統熱傳主要通過「傳導」、「對流」、「輻射」等機理進行，或以此三種型態混合交互傳遞。隨著狀態改變的熱傳遞過程，稱之為相變(Phase Change)(如沸騰的水吸收汽化熱后變成蒸氣，水凝固成冰或冰融化成水等)；工程上許多應用都會發生不只一個相的傳熱過程，例如冷凝器、熱管及熱交換器等。

本例針對應用制作模型，通過ANSYS Fluent仿真軟件中多相流模塊VOF及Evaporation-Condensation來實現背景為空氣的液態水，受熱后形成水蒸氣的相變化過程。

 

模型如下。相變化為一瞬態仿真過程，我們啟動ANSYS Fluent Transient選項及定義Gravitational Acceleration重力方向，并啟動能量方程式Energy。

計算多相流動，我們開啟ANSYS Fluent中的多相流(Multiphase Model)模塊VOF，并采用Explicit。

Explicit實行Geo-Reconstruct離散方法，其特征如下：

1. 網格質量的要求較Implicit為高

2. 考慮表面張力(Surface Tension)問題時，較Implicit具備更高的準確性

3. Explicit及Implicit皆可設置穩態及瞬態計算，但考慮準確度及穩定性，Explicit建議僅用于瞬態

4. 提升穩定性方面，Explicit時間步長控制采Courant Number, CFL方法，穩定性較Implicit高

      CFL定義如下：                 

上述分子為前后時間步長變化率，分母為網格大小與當下速度的比值。也就是說，設置的時間步長越小，CFL會越小；單網格尺寸控制越小，CFL會越大；流動變化速度越小，CFL則會越小。

 

默認CFL限制為0.25，每次時間步長迭代都會監測當下CFL的數值，在ANSYS Fluent Console窗口中會顯示該數值。若CFL超過0.25，尤其超過25以上，則每一次跌代都會耗費巨量時間，最終很可能超過最大限制250而發散。建議當CFL超過兩位數以上，務必修正CFL的參數，特別是可以從時間步長改小先進行。

 

在VOF中，我們設置Number of Eulerian Phases為3；包含了背景空氣(Air)、液態水(Water-Liquid)及氣態蒸氣(Water-Vapor)三個相。你可以從Fluent材料設置庫中搜尋到這些材料作為分析使用。

 

管內流動勾選表面張力模塊。

 

液態水變化至蒸氣的機制選擇Evaporation-Condensation模塊。Evaporation-Condensation可計算液態質量變化傳遞至氣態的模型，Lee Model已將水的相變化模型自帶導入ANSYS Fluent中，你可設置水的飽和溫度為373K，及沸騰溫度，或更詳細地設置環境飽和蒸汽壓力及飽和溫度的關系。

 

 

加熱壁面：本例模型為加速蒸發沸騰現象，給予一較高的熱通量做加熱用。

設置初始水量：ANSYS Fluent通過Patch功能對水量位置及大小做設置。

首先我們在Solution/Initialization中給予放入液態水之前的工況狀態，如溫度/壓力等狀態...

當點擊Initialize后，右側Patch便喚起可作設置；進行Patch前，需先對液態水的位置跟大小作設置后，才能Patch于指定區域。

在Domain/Adapt/Cell Registers/New/Region中，輸入我們要實現液態水體積的坐標位置。

通常我們會選擇采Inside來設置，輸入的X, Y, Z坐標范圍僅有在計算域內的才會建立出，因此，我們可大膽地把范圍設定在模型的極限坐標之外。

上述完成后，我們點擊Patch進行設置。

本例進行Patch的目的是要將已經設定好的水，放入我們模型中做分析，在Registers to Patch內選region_0 (這是上面所建立出來的區域)，Phase選Water，并點擊Volume Fraction設置Value=1.0(百分之百的水)。通過此法，我們可將設計好的多相流區域(通常是液態)指定好狀態及數值，予以導入。

瞬態仿真一般會進行固定時間節點的結果匯出，Solution/Calculation Activities/Autosave (Every Time Steps)可設定多少Time Step做匯出Data的動作；若模型涉及到動態網格或滑動網格，那么會連同Case需要一并匯出。詳細的匯出技巧與后處理有關，我們后續會有數個后處理培訓做說明。

 

 

從所存取下來的Data檔案，通過CFD-Post瞬態處理技巧，我們將不同時間節點的結果合并在一起，如下：

下載地址：ANSYS Fluent UDF Manual